微机电系统发展及展望

微机电系统发展及展望引言当今科学技术发展的一个重要方向是微型化、集成化和智能化。加工特征尺寸在微米/亚微米的微电子机械系统（MEMS）则为实现和利用微型化、集成化等提供了重要的途径。MEMS，微电子机械系统，又称为微机电系统是利用微加工技术和集成电路制造技术将微结构、微传感器、微执行器、控制电路甚至接口、通信和电源等制造在一块或多块芯片上的微型集成系统。这是一门在微电子技术基础上兴起的一个多学科交叉的前沿领域，它集成了当今科学技术的许多尖端成果，在汽车电子、航空航天、信息通讯、生物医药、自动控制、国防军工等领域有广阔的应用前景。1微机电系统的发展历史1954年，西储大学的C.S.Smith教授在贝尔电话实验室发表了一篇关于测量锗和硅的压阻系数的论文。这些测量数据为后来的压力、位移和应变传感器研究设计铺平了道路。1959年，RichardFeynman教授发表了一篇题目为“底部有大量空间”的论文，提出了微计算机、微机械和微器件等设想，具有划时代的意义，它预示着微加工、微器件、微纳米技术新时代的到来。20世纪60年代，谐振栅品体管、加速度器、硅基压力传感器和应变传感器的问世为微器件研究奠定了基础。1987年，第一次与“MEMS”相关的研讨会“微型机器人和远程控制”，在美国麻省海恩尼斯举行。紧接着关于MEMS的研讨会在美国和世界各地如雨后春笋般召开，打开了微加工，微系统，微加工技术，MEMS研究的大门。1992年，MEMS期刊亮相，关于微机电系统的研究成为了一个热门。日本关于MEMS研究起步稍晚于美国，但进展相当快，偏重于微机械研究。1988年成立了微机械研究会，进行开拓性的全面研究和开发。德国对MEMS的研究与美国、日本并驾齐驱，并有自己的特色取得令人注目的进展。他们创造了光刻、电铸和注塑（LIGA）工艺，即应用X射线进行曝光并辅以电铸成型的一种三维微机械加工技术，制成了悬臂梁执行机械及微型泵等。此外，欧洲其他国家如英国、瑞士、荷兰、丹麦、挪威等国也在积极从事微机械研究。我国的MEMS研究始于1989年，在国家“八五”至“十五”期间得到政府和各部门立项经费达5亿元。我国MEMS研发单位主要集中在高等院校和研究所，不同层次的内地研发单位共有60余个，比较早的研究院所有北京大学微电子所、清华大学精密机械系、上海交通大学微纳米中心、中科院上海微系统与信息技术研究所等。尽管目前在微机械方面的投资、技术基础与经济发达国家比还有一定的差距，但在MEMS研究正在形成自己的力量和技术方向，并在微流体器件、微能源、微型汽轮机、微型马达等方面都取得了成果。2微机电系统的研究现状自六十年代产生至今，微机电系统已经取得了非常巨大的成就。从早期加州大学伯克利分校研制出首台硅微电静电马达在实验室取得成功，到惠普公司的喷墨打印机的喷墨头，取得非常好的市场收益，再到德州仪器发明的数字光处理模块（DLP）。整个MEMS的研究已经延伸到机械、材料、光学、流体、化学、医学、生物等学科，其技术影响也以遍及包括各种传感器件、医疗、生物芯片、机器人、通信、能源、武器、航空航天等各个领域。2.1MEMS技术研究的成果2.1.1MEMS设计方法微机电系统主要研究亚微米/微米级的特征尺寸，在这种尺度下所面临的是与宏观物理学不同的情况：微观摩擦将取决于构件表面间的分子作用力，而不再是载荷压力，牛顿摩擦定律在此已不适用；在微流体力学中，微管道中液体的输送机理和外在表现与N-S流体方程出现偏离，需要基于微流体动态测试平台进行修正。由于微观尺寸下的完整理论尚未建立，关于微机电系统的研究主要是依赖经验和反复试探。目前微机电系统的设计方法包括依靠实际经验的加工测试设计方法、Bottom—Up设计方法和Top-Down设计方法3种。图2为MEMS自顶而下集成设计流程图［14］。其模拟过程一般包括版图设计、工艺级设计、器件级设计、系统级设计、验证和迭代优化。MEMS建模是通过计算机辅助工程分析(CAE)、计算机辅助设计(CAD)、及计算机辅助制造(CAM)进行设计模拟和仿真，借助MEMSCAD不仅能够缩短设计时间，而且提高生产制造过程的精确度。MEMS的产品设计包括器件、集成电路、系统和封装等几个方面。2.1.2MEMS加工技术随着微加工技术的发展，目前主要的MEMS微加工技术有体微加工、表面微加工、LIGA工艺和键合工艺等。体微加工技术是最早采用的微加工技术之一，利用刻蚀液对硅不同晶向的刻蚀速率不同，蚀刻去除衬底的部分材料，形成所需的悬空结构、膜片和空腔等结构。体微加工技术有高的准确度，其刻蚀产生的结构尺寸大，机械性能好，使得器件信号输出值大，易于测量；缺点是材料浪费较严重，并与集成电路兼容性不理想。LIGA工艺，20世纪80年代德国开发出的一种深X射线刻蚀电铸成型注模复制技术，通过对光刻胶照射X射线，刻蚀出宽度在几微米数量级，深度在几百微米数量级的高纵横比的光刻胶图形。目前，利用LIGA技术已成功制造出微减速齿轮箱、微加速度传感器等。LIGA技术的优点在于可以加工高纵横比的三维结构，提高了器件的品质因子；由于塑料模具便于复制微结构，因而降低了成本，可进行批量化制作。它的缺点则是制作设备昂贵，使用和维护成本高，不利于实现产业化。键合技术是将各种不同功能的微结构键合组装成微器件。键合技术大致分为三类：热键合、阳极键合和通过中间层的键合。2.1.3MEMS封装技术对于MEMS的封装，目前比较常用的技术有：有无引线陶瓷芯片载体封装、真空封装、高压静电封装、低温硅直接键合、阻尼控制封装、保护涂层封装以及全片钝化封装等，在微电子封装中备受青睐的倒装芯片封装、上下球栅阵列封装、多芯片模块封装、倒装与引线键合等相结合的3-D封装技术已逐渐成为MEMS封装中的主流。目前至未来一段时间内，微测试技术的重要研究内容集中在MEMS材料的微观力学性能测试，微构件几何尺寸及形貌测量、微型机械运动参数测量等。2.2MEMS技术目前存在的主要问题在20世纪90年代初，人们预测MEMS产业会像微电子产业一般每年以指数增长。随后的时间证明，MEMS产业的的步伐大大低于人们的预测。由于MEMS本身的多学科交叉性、结构尺寸微小造成的器件可靠性，以及复杂的制造工艺性等问题，使得MEMS系统的研发速度大大的低于了微电子系统的研发速度。目前，制约MEMS技术发展的主要因素有以下几个方面。微观尺寸，设计难度大在微米/纳米特征尺寸下，由于物理场和化学场互相耦合、器件的表面积与体积比急剧增大等原因。使得大尺寸结构中可忽略的与表面积和距离有关的因素（如表面张力和静电力）跃升为主导因素。同样的，在纳米尺寸中器件会产生诸如量子效应、界面效应和纳米尺度效应等新效应以及一些仍未被人们所发现的新的效应。正是这些效应使得在MEMS设计的时候需要综合考虑许多学科的知识，带来了设计的难度。集成难度大，系统复杂一个完整的微机电系统，通常是包含了各种传感器、执行器的复杂组合。目前的研发中，微机械和电路结合是一个非常重要的方向，由于两者的制造工艺性不能很好的兼容，使得将两者集成的难度非常大，以至于目前多数的MEMS、系统都是将微机械和电路制造加工在不同的芯片上。其他的一些困难则主要是：材料特殊，制造难度大；种类繁多，使得其封装的难度较大；设备昂贵，研发成本高等。正是由于以上技术瓶颈的存在，使得MEMS技术在取得进步的同时也面临着巨大的挑战。3微机电系统的未来展望3.1MEMS的发展趋势从目前的发展现状来看，MEMS未来的发展将主要集中在将研究成果产业化、开发MEMS的大网络系统和研发MEMS的新材料和MEMS的制造新技术，其中实现MEMS研究成果的产业化将会为技术上的进步其非常大的推动作用。在实现其产业化上，将会呈现出下面的三个发展趋势。3.1.1开发出低成本、高效率、适合大规模生产的MEMS器件未来MEMS除应用到航空航天、生物医药、汽车等领域外，将会更加广泛的进入日常消费生活中，但目前无论是设计MEMS系统或是制造加工MEMS系统，都将面临着非常高昂的成本，这对进入日常消费生活将是一个巨大的阻力。因此，实现MEMS器件的低成本化是一个非常重要的发展趋势。美国Yole投资咨询公司2010年关于MEMS的市场研究报告指出，新兴MEMS产业将占到总产业的10%，显示出MEMS市场巨大的增长空间。■制判MEME市堀S5龄74.«193.9311堀142.-69377.70■其件MEMS而匡646017209R7-CL771122412753146373.1.2研究高性能、多功能和高可靠性系统在生物医药、航空航天、信息通讯等领域，对器件的可靠性都有很高的要求，同时，如果能够实现在很小体积下集成更多功能单元，将会极大的减小设备体积，这样对于其应用将有着非常高的推动，并且节约大量的成本。3.1.3集成传感器和驱动器的单芯片系统除降低MEMS开发成本，提高MEMS性能和可靠性外，未来的MEMS研究还将注重于集成传感器和驱动器的单芯片系统的研发。3.2MEMS的前沿应用3.2.1生物研究和医疗仪器微型生物芯片技术作为新一代生物技术成为当今世纪最令人注目的高新技术之一。微型生物芯片是利用微细加工技术和微电子技术在厘米见方的硅片或玻璃等材料表面上构建的微型生物化学分析系统，以实现对细胞、蛋白质、DNA以及其他生物组分的准确、快速、大信息量的检测。目前并驾齐驱的生物芯片主要有以基因芯片、蛋白芯片、细胞芯片和组织芯片为主流的微阵列芯片、以各类样品制备芯片、聚合酶链反应PCR)芯片、毛细管电泳芯片和色谱芯片为代表的微流路芯片、以及代表生物芯片技术最高境界的芯片实验室。图3为最新研制的一种人工电子耳蜗微电极阵列(MEA)芯片，由8线聚合物电缆,32通道薄膜电极阵列、微控制器及无线通讯接口封装而成该电子植入芯片可修复功能性缺失的人耳听觉。3.2.2微型能源微小型机械装置如微型泵、微型发动机、微型机器人及微飞行器等的飞速发展对微动力能源提出了更高要求。目前，微动力能源系统成为能源领域与微纳领域的交叉研究热点主要包括微涡轮机、微转子发动机、微火箭发动机、微型推进器、微型能量转换器等、激光微推力器等。美国麻省理工大学早在1996年率先开始微涡轮发动机的研究其近期成果碳化硅涡轮喷气发动机的直径1cm,厚度仅为0.3cm,以氢为燃料,可产生0.1274N的推力，能推动质量为50g的微型无人机在空中飞行，其时速可达300km/h。除上述研究外(特征尺寸为毫米的锂电池)，微型燃料电池、核电池、超级电容和环境能源转换器也正在火热研究中。3.2.3微纳米混合器件和技术20世纪90年代后期出现的NEMS将MEMS的概念向纳米延伸，利用纳米尺度和纳米结构的新效应，可大幅度提高灵敏度、减小体积、降低功耗。例如：有些NEMS传感器可将灵敏度提高106倍，功耗减小两个数量级；采用多壁纳米碳管研制的纳米谐振器，通过谐振频率的变化可测量3X10_14g的质量，能够作为检测分子或细菌质量的分子秤。3.2.4其它应用前沿其它应用前沿主要包括(1)无线电通讯，如手机和无线通讯用的MEMS元件.(2)光通讯，如光开关、光调幅、光频调控等.(3)生物研究,从基因(DNA)到细胞(cell)，到系统生物学(systembiology)用的元件及工具、仪器等.(4)医药用仪器设备(medicalinstruments),用于监测治疗用的微系统及大型手术用的遥控手术机(tele2surgeryequipment)和人工脏腑等.(5)环境保护和监测(environmentalprotectionandmonitoring)，这里就需要用MEMS网络(Network).等结论MEMS技术是多种学科交叉融合具有战略意义